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虚拟城市仿真平台v r g ls 中空间分析方法的研究与实现 摘要 虚拟现实技术在社会生活中的应用日益广泛，并越来越多地应用到城市建设 领域中来。虚拟城市相关技术的发展和社会需要对g i s 空间分析的能力提出了 更高、更新的要求。但当前大多数的虚拟城市系统往往只注重于场景的三维表现， 忽略了3 d g i s 空间分析功能的研究与开发，对对象的查询、修改、分析等需求 也得不到很好的满足。因此虚拟现实技术与3 d g i s 的无缝集成已成为当前的研 究热点。研究空间分析的算法，实现稳定、高效、实用的空间分析功能，进而实 现v r 和g i s 的紧密集成是本文的主要研究目的。 本文通过研究一些空间分析的基础算法和典型方法，为城市建设与发展以及 人们生活中“面向解决与空间有关的问题 提供科学实用的空间决策支持，主要 研究了以下内容： 1 研究了空间分析的基础理论与方法，对空间分析的内涵、方法以及模型 进行系统的概括与总结； 2 对空间数据模型的组织方式进行了研究，首先研究了空间数据表示方式， 然后介绍层次包围盒和四叉树概念，组织方式及优缺点； 3 针对三维空间分析的需要，定义了大量的基础空间数据结构，研究和开 发了点和多边形拓扑关系判定、射线和盒子空间关系判定等高效的基础空间分析 算法，为以后进行更加复杂的空间分析奠定了良好的基础； 4 在研究算法和空间数据组织基础上，实现了一系列的空间分析方法，形成 了一个比较完善的空间分析模块，主要包括：空间查询、量算分析( 距离量算、 面积量算、体积量算) 、空间动态定位、地形分析( 水淹分析、土方分析、等高 线分析、剖面观察、通视分析、地形平整) 、日照分析、鹰眼功能、绿化率分析 等。 本文开发的空间分析功能模块己集成到自主研发的之g i s 平台中，并通过 具体的实验和应用，验证了本文提出的基础算法和研究的典型方法的正确性与可 靠性。 关键词：虚拟城市、虚拟现实地理信息系统、空间分析、地形分析、日照分析 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs p a t i a ia 皿a l y s i si nt h ev i r t u a i u r b a ns i m u i a t i o np l a t f o r mv r g i s a b s t r a c t t h ev i n u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di i ls o c i a ll i f e ， a n di sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fu r b a nc 0 n s t m c t i o n t h e d e v e i o p m e n to f v i n u a ic i t yt e c h n i q u ea i l ds o c i a ln e e dp o s e sm g h e r 锄dn e w e rr e q u e s t t 0g i ss p a t i a l a l l a l y s i s b u t m o s to ft h es y s t e m su s u a l l yf o c u s e so i l l yo n3 d r e p r e s e n t a t i o no ft h es c e n ea n di g n o r e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f3 d g i s s p a t i a la n a l y s i s ，o p e r a t i o n ss u c ha ss p a c i a lo b j e c ti n q u 的a n ds p a c i a la n a l y s i s 锄o t b ew e l ls a t i s f i e d ，e i t h e lt h e r e f b r et h es e 锄l e s si n t e g r a t i o no fl h e3 d g i sa 1 1 dv i n u a l r e a l i t yt e c h i l i q u ei sa i la c t i v ea r e ao fc u r r e n tr e s e a r c h 1 oa c h i e v es t a b l e ，e f ! f i c i e n ta n d u s e f u ls p a t i a la n 2 l l y s i sf u n c t i o n ，s oa st or e a l i z ec l o s ei n t e g r a t i o no fv ra i l dg i sb y r e s e a r c h i n go ns p a t i a la n a l y s i sa l g o r ：i t h si st h em a i np u 印o s eo ft h i st h e s i s b ys t u d y i n gt h eb a s i cs p a t i a la n a l y s i sa l g o r i t 胁sa n dt y p i c a lm e t h o d sf o ru r b a n c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h i st h e s i sc a np r 0 v i d es c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a ld e c i s i o n s u p p o r tt 0t h es o l u t i o no ft h es p a c c r e l a t e dp r o b l e m si nh u m 锄h v e s ，t h i st l l e s i s m 血l yr e s e 鲫c h e st h ef o l l o w i n g ： 1 1 1 l i st h e s i sh a ss t i l d i e dt h eb a s i ct h e o r y 锄dm e t h o d so ft h es p a t i a la n a l y s i s ， t h ec 0 n t e n t ，m e t h o d sa i l dm o d e ls y s t e m so ft h e s p a t i a la n a l y s i s h a v e b e e n s y s t e m a t i c a l l ys u m m e r i e d 2 1 1 1 i st h e s i sh a ss t u d i e dt h eo 玛a n 娩a t i o no fs p a t i a l ld a t am o d e l ，i tf i r s t l ys t u d i e s t h er e p r e s e n t a t i 叩m e t h o d so fs p a t j a ld a t h e ni 1 1 t r o d u c e st h ec o n c e p t0 f 1 1 e b o u n d i l l gb o xa i l dq u a d t r e e ，t h e0 玛a n i z a t i o nm e t h o d 觚di t sa d v a n t a g e s 3 f o rt h en e e d so fa n a l y s i so ft h r e e d i i l l e n s i o n a ls p a c e ，al a 玛en u m b e r0 fs p a t i a l d a t as t m c t u r e sa n dm a t h e m a t i c a ll i b 谢e sh a v eb e e nd e f i n e d ，t h er e s e a r c ha 1 1 d d e v e l o p m e n to fa 舢m b e ro f h i 曲l ye 艏c i e n ta 】g o r i 珊sb a s e d0 ns p a t j a l 如a l y s i sh a v e l a i da g o o df o u n d a t i o nf o rm o r ec o m p l e xs p a t i a la 1 1 a l y s i s 4 b a s e do nt h es t u d y0 fa l g o r i t l l i na n ds p a t i a ld a t ao r g a n i z a t i o n ，as e r i e so fs p a t i a l a i l a l y s i sm e t h o d sh a v eb e e nr e a l i z e d ，a9 0 0 ds p a t i a l 龃a l y s i sm o d u l eh a sb e e n p r o d u c e d ，m a i l l l yi n c l u d i n g 也es p a t i a lq u e r y 觚a l y s i so fm e a s u r e m e n t ( d i s t a n c e m e a s u r e m e n t ，a r e am e a s u r e m e n ta n dt h ev o l u m em e a s u r e m e n t ) ， s p a t i a ld y n a m i c p o s i t i o n i n 岛t e 玎a i na n a l y s i s ( n o o d i n g 柚a l y s i s ，e a n h w o r kv o l u m ea n a l y s i s ，c o n t o u r a n a l y s i s ，s e c t i o na i l a l y s i s ，v i s i b i l i t ya 1 1 a l y s i s 柚dt e r r a i l ll e v e l i i l 曲，s u n s h i n ea n a l y s i s ， e a 酉ee y ea n a l y s i s ，目e e i l i n gm t i oa i l a l y s i s t h em o d u l eo fs p a t i a la i l a l y s i sh a sb e e ni n t e g f a t e di n t ot h es e l f d e v e l o p e d v r g i sp l a t f b 锄，t h e nt h ee x p e 血n e n ta n da p p l i c a t i o nh a v ev e r i f i e dt h ec o 丌e c t n e s s 纽d r e l i a b i l i t yo f t h ea l g o r i t h m sa n dm e t h o d si i lt h i st h e s i s k e y o r d s ：vir t u aici t y ，v r g ls ，s p a tiaia n a ly sis 。t e r r a ina n a iy sis ，s u n s hin e a n a i y s i s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 麴遗查基丝重要挂型直盟鲤! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 桀朋签字日期：历护缉f 月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 味硐 导师签字： 签字日期：如年仁月纱日 签字日期力吵年午月咱 虚拟城市仿真平台v r g i s 串空阏分柝方法的研究与实瓒 1 引言 。 问遂的提出与背景 1 9 9 8 年，美国前副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地 球世纪认识地球的方式 的演讲，提出了数字地球的概念。戈尔在报告中指溉 我们需要一个数字地球，一个可以嵌入海量地理数据的、多分辨率和三维的真 实地球表示。数字地球是由遥感技术、数据库与地理信息技术、高速计算机网 络技术和虚拟现实技术为核心的信息技术系统。数字地球的支撑技术包括高分 辨率的对地观测技术、数据库管理技术、三维可视化技术、虚拟现实技术、宽 带网络技术n 1 。虚拟现实技术是一种在计算机图形学、计算机仿真、传感技术、 显示技术等多种学科交叉融合的基础上发展起来的计算机技术，最早可以追溯 到美国学者i v 撒s u t h e r l a n d 于1 9 6 5 年所发表的论文“终极显示。经历了多年的 发展，该技术已经广泛地应用于许多行业中，其中在本文研究的城市仿真领域 扮演着极为重要的角色。利用虚拟现实技术可以把城市的过去、现在、未来的 全部内容在计算机上进行数字化虚拟实现。 隧着数字城市建设的进行，空闻信息技术、虚拟现实技术和网络技术的发 展，虚拟城市得到了很快的发展。基于虚拟现实和仿真模型的虚拟城市更成为 数字城市的主要表现形式。所谓的虚拟城市，就是以计算机技术、多媒体技术 和大规模存储技术为基础，运用技术、仿真虚拟现实技术等对城市进行多分辨 率、多尺度、多时空和多种类型的三维描述，雳予模拟和表达城市地形逑貌、 城市道路、建筑等城市环境中的现象和过程，即利用信息技术手段对城市的多 时空信息进行数字纯虚拟实现翻。在虚拟现实技术的支持下，虚拟城市空闯代 替了传统的抽象地图以及用来解释、分析和讨论设计思想及城市进展的描述性 文件，将现代城市的信息收集、整理、归纳起来，并按照地理坐标建立完整的 空间数据模型，将城市以生动的三维图形环境展现在人们面前，使人能快速、 完整、形象地了解城市的过去、现状和未来。对城市规划丽言，利用虚拟城市 的技术可以给人们看到设计后的城市面貌。运用照片纹理的三维城市模型更便 于理解，使人们能识剐特定的元素并根据空闻位置和眈饿尺大小来调整视线。 虚拟现实技术给人们的是一种栩栩如生的三维城市模型，为城市的发展和地理 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 信息的应用提供了身临其境的真实环境。通过“虚拟城市 技术，人们能够在 一个虚拟城市中，用动态的、交互的方式对城市进行身临其境的、全方位的审 视，这是传统的地图和预渲染回放的三维动画所无法达到的。虚拟城市在土地 利用规划、城市规划、突发灾害管理等与我们生活息息相关的方面发挥着巨大 作用。 虽然虚拟城市发展迅速，但我们看到大部分的系统只是注重三维可视化以 及如何美化虚拟的三维效果，人在场景中漫游时，因为缺乏全局性的概念，很 容易产生迷失现象。用户除了浏览外，还有对对象查询、修改、模型计算、数 据分析等操作的需求，还缺乏三维空间分析功能，从而限制我们深度开发利用 这些模型的能力d 1 。这些问题都需要通过g i s 来解决，客观上促进了g i s 空间 分析功能的加强。人们逐渐认识到己和g i s 结合起来成为最好的解决方案， 于是引入了之g i s 的概念。之g i s ( n u a lr e a l i t yg e o 鲫h y1 1 1 f o 姗a t i o ns y s t e m ) 是地理信息系统与虚拟现实技术相结合的产物，是目前虚拟现实技术和地理信 息系统研究的热点和前沿方向之一。结合虚拟现实技术和科学计算可视化技术 而设计的多维g i s 系统称之为虚拟g i s 系统h 3 。v r g i s 系统的先进性和实用性 常常取决于其空间分析的功能，因此如何有效结合三维场景数据的地理空间要 素，通过不同的算法和组织方式，满足实际应用需要，进行精确的g i s 空间分 析是一个十分重要的课题，这不但能给用户整体性的概念，从而解决人在场景 漫游时出现的迷失问题，还能挖掘能反出映事物本质的和具有指导意义的信息。 综上所述，在虚拟城市仿真平台中深入分析信息空间的各种信息，运用g i s 技术实现精确高效的空间分析，可以将数字城市的应用提升到一个新的更高的 层次，对城市的发展具有重要社会价值，可以协助人更有效的认识、规划、建 设和管理城市，为人的生存工作生活安全提供保障，对于加快城市信息化建设 的步伐具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 第一个较成功的g i s 出现在9 0 年代初期，是美国侨治亚州教育学院的校 园环境信息系统。从那以后，出现了大量的关于v r 和g i s 相结合的应用和理 论研究，v r g i s 日益引人注目。根据f a u s t 在1 9 9 3 年提出的v r g i s 概念，一个理 2 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 想的v r g i s 应具有以下几个方面的特征：空间数据的真实表现：用户可从 任意角度进行观察、浸入、实时交互，可在所选择的地理带内外自由移动：具 有基于三维空间数据库的基本g i s 功能：可视化部分应作为用户接口一个自 然而完整的部分。 从技术角度看，v r 和g i s 的集成包括功能集成和结构集成两方面含义。功 能集成主要考虑研究目标的实现而需要的功能组合，结构集成则主要考虑系统 的构建。考虑到v r g i s 要达到的目标和实现的复杂性、各技术所需的基本数据 和基本功能、可使用界面和数据模型的兼容性、硬件环境、以及系统整体构架 等因素，集成方法和集成度多种多样。参考1 9 9 7 年l m v n e 提出g i s 与科学可视 化( s c i s ) 集成的4 种方法以及其他系统间集成的形式，可将t 和g i s 系统集 成的方式分为分离应用、松散集成、紧密集成和完全集成4 种睁7 1 。 分离应用是己和g i s 系统可以在不同的硬件环境下运行，相互之间很少 进行数据共享，各系统分别使用自己的数据模型和数据标准，空间数据和3 维可 视化图形显示间缺乏联系，效率非常低瞪1 。 松散集成从功能上看，之和g i s 的松散集成就是利用公用数据接口，通过 动态数据转换器在之和g i s 系统之间有限交换信息。结构上，之和g i s 的 集成是松散的平行关系，两系统各司其职，通过数据连接实现共同目的。这种 集成方式未考虑系统间内部数据需求，易造成大量数据冗余，故集成效率也不 古 5 】 闻。 在v r 与g i s 系统的紧密集成方式中，两者基于相同的数据模型和数据结构， 建立和使用相同数据库，信息可以在其问进行透明的流动，集成整体性进一步 加强，但在系统功能上仍然相对独立。目前这种集成方式在结构上的实现方法 是通过对象问的互操作实现虚拟环境和g i s 之间的信息流通，从而将v r 系统和 g i s 在软件上集成为一个整体。虽然这种方式在软件实现上是一体化的，但就功 能而言，目前还停留在数据共享上璐3 。 完全集成是v r 和g i s 系统在最高层次上的集成，两者不仅在概念上完全融 合成理想的v r g i s ，而且在技术实现和功能上高度一体化，既使用相同的数据 库，又把乇和g i s 的基本功能在软件实现上有机地融为一体，效率最高啼3 。 3 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 目前和g i s 的系统集成正处于紧密集成阶段向完全集成的过渡时期。 事实上，现阶段受技术条件、资金状况等因素影响，大多数情况下系统应用仍采 用松散式集成。一直以来，对于其中的g i s 部分所做的研究和大量工作多停留 在建立庞大的空间数据库以及建立各种相关数据与空间位置或二、三维的坐标 建立的一种连接关系上，主要还是对帮我们做一些空间数据的管理工作。整体 上g i s 空间分析技术的研究相对滞后于空间数据库的理论与技术。利用空间分 析技术对空间数据的分析，不能停留在数据库型的g i s 层面上，需要将关注点 从数据库创建和系统开发建设，逐步转移到关注空间分析和空间分析建模上， 才能挖掘出对科学决策具有指导意义的信息。通过数据的集成、统一数据模型 和空间综合数据库的设计和应用并在此基础上实现强大的g i s 空间分析功能进 而实现向紧密集成的过渡是现阶段理论研究热点。现阶段尝试对己和g i s 进 行紧密集成的软件还为数不多，其三维g i s 空间分析的种类及数量也很少，多 应用定量分析手段分析点、线、面的空间分布模式，满足简单的编辑、管理、 查询和显示要求，距离强大、灵活的空间分析功能还有一定距离，更不用说做 到决策层次上来。 v r g i s 的理论和技术经过多年的研究和探索，取得了一定的研究进展，开 发出了一些比较成功的软件，如e r s i 的m c e w3 d a m a l y s t 、e r d a i s 的i i i l a 酉n e n u a lg i s 、i n t e 伊a p h 的g e o m e d i a ，国内有灵图的v r m 印、吉奥的c c g i s 等。 但这些软件的主要功能还是停留在数据表现与简单的三维显示上，与t 与g i s 的完全集成还有差距【8 】。 经过众多学者的多年努力，在三维空间分析的某些算法上取得了一定的成 果。但在三维空间分析中还有很多问题需要研究，例如三维拓扑关系的构造、 三维查询与统计分析等。以后会更多的强调地理空间本身的特征、空间决策过 程和复杂空间系统的时空演化过程分析。研究开发g i s 的基本空间分析及将各 领域的专家知识嵌入g i s 中，从而向决策层次发展是v r g i s 未来发展的重要方 向。 综上所述，国内外大多数城市仿真软件产品的空间分析功能尚不能满足各 行各业的应用需求，离建立和g i s 一体化的乇g i s 还有很大的差距。 4 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 1 3 研究的主要内容与章节安排 本文主要研究了空间分析的基本理论及其在仿真平台v r g i s 中的实现方 法，以下是论文章节安排： 第一章是绪论，主要介绍了论文的研究背景意义、国内研究现状、研究内 容及论文的组织。 第二章介绍了空间分析基本理论和研究方法，首先介绍空间分析的概念， 然后从空间分析的内容、空间分析的方法和空间分析模型三方面对空间分析的 内涵进行了系统的阐述，最后介绍常见的空间分析。 第三章首先概述v r g i s 仿真平台基本情况，然后从其中的空间数据和场景 组织管理两个角度对v r g i s 的体系结构进行阐述，这是空间分析的基础。 第四章具体介绍本文所实现的空间分析的设计与实现方法。首先对平台空 间分析会用到的基础数学库和基础算法做了介绍，比如点和多边形的拓扑关系 算法等，然后逐条介绍每个空间分析子模块的具体实现，主要包括主要有空间 查询的实现、量算分析的实现( 距离量算、面积量算、体积量算) 、空间动态定 位的实现、地形分析的实现( 水淹分析、土方分析、等高线分析、剖面观察、 通视分析、地形平整) 、日照分析的实现、鹰眼功能的实现、绿化率分析的实现。 第五章是各个空间分析功能的应用及效果图，然后把之g i s 仿真平台跟国 内的三维地理信息系统软件v r m a p 在空间分析功能上给出一个比较结果。 第六章是总结与展望，总结本文的主要成果和指出不足和后续工作。 5 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 2 空间分析基础 2 1 空间分析的概念 目前，提到的空间分析概念一般是指“g i s 空间分析”。国内外许多学者都对 空间分析进行了研究n w i n ，1 9 8 1 ；李德仁等，1 9 9 3 ；g o d c i l i l d ，1 9 9 4 ；h a i n i i l g ，1 9 9 4 ； 陈述彭等，2 0 0 0 ；郭仁忠，2 0 0 1 ) ，但是对于空间分析下定义是比较困难的，关于 其定义还没有一个统一的定论，不同领域有不同的涵义。比较典型的定义有以 下几种【9 】： r o b o th a i n i n g 曾经对于空间分析给出如下定义：空间分析是基于地理对象的 空间布局的地理数据分析技术( h a i n i n g ，1 9 9 4 ) 。该定义是以地理目标空间布局为 分析对象，从传统的地理统计与数据分析的角度出发，将空间分析分为三个部 分统计分析、地图分析和数学模型。这是一种统计型定义法，强调统计分析， 而将地图分析和数学模型置于从属地位，从空间分析的需求和的发展现状及前 景看，这种定义不能完全概括空间分析的内涵。 李德仁认为空间分析是从目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知 识( 李德仁等，1 9 9 3 ) 。该定义侧重于图形与属性信息的交互查询，以获取派生知 识或新知识，其分析对象是地理目标的空间关系。该定义以数据库管理系统为 基础，将空间分析的类型按数据结构来划分，认为空间分析由以下几部分组成 拓扑空间分析，缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析和地学分析，其划分是 以空间分析的操作类型为标准的。 郭仁忠认为空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技 术，其目的在于提取和传输空间信息( 郭仁忠，2 0 0 1 ) 。该定义侧重于空间信息 的提取和空间信息传输，其分析对象是地理目标的位置和形态特征。它将空间 信息分为空间位置、空间分布、空间形态、空间距离、空间方位、拓扑、相似 和相关。其对应的空间分析操作为空间位置分析、空间分布分析、空间形态分 析、空间关系分析和空间相关分析。这是一种信息提取型的定义方法，本质上 仍是偏重于空间信息的管理，空间分析类型是依据空间信息类型来划分，两者 之间的关系并不明确。 6 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 从以上几种定义可以看出，它们的侧重点各不相同，但是都从不同的方面 对空间分析的内涵进行了阐释。综上所述，可将空间分析定义如下：空间分析 是在对空间中的目标进行形态结构定义与分类的基础上，对目标的空间关系和 空间行为进行描述，提取和传输空间信息，为进一步的空间决策支持提供服务 的功能体系。 空间分析是集空间数据分析和空间模拟于一体的技术，通过地理计算和空 间表达挖掘潜在的空间信息，已解决实际问题。 由于科学技术发展水平的限制，目前空间分析只能为人们建立复杂的空间 分析应用模型提供基本工具，对于不同的专业需求，还需在现有和其它程序设 计语言相结合的基础上，进行二次开发，设计出专业性强的空间分析应用模型。 2 2gis 空间分析内涵 2 2 1 空间分析内容 空间分析涉及到以下几方面吣1 2 3 ： 1 空间分析的对象及其形态分析 空间分析的对象指已经过分类并已被定义了形态结构的空间目标。目标形 态定义为目标的几何特征，对形态结构的分析称为形态分析。 2 空间行为分析 空间行为是指空间目标的形态和结构在一定条件( 空间、时间等) 下发生 的变化及其规律。例如随比例尺的不同，点、线和面等目标的类型会发生改变， 面可能退化为点。随时间和空间位置的不同，目标的一些空间形态特征会发生 变化。 3 空间关系描述 空间关系是指空间目标之间在一定区域上构成的与空间特性有关的联系， 这种联系可分为拓扑关系、度量关系、方位关系三类。 4 空间查询 7 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空问分析方法的研究与实现 空间查询是指在一组空间目标中定位或查找特定的目标，分为定位和范围 查找。定位和范围查找是一组对偶操作，可互相转化。 5 空间相关分析 空间相关分析是分析空间目标在属性和几何特征集成下的空间关系。主要 针对空间目标的属性，所以也可称为主题分析。将几何特征和属性综合考虑时， 空间相关分析会涉及空间目标的重分类问题以及在某一主题下空间目标的关系 问题。较常见的如叠置分析，包括图形叠置和属性叠置。 6 空间决策支持 空间决策支持指用具有辅助决策功能的g i s 来解决半结构化和非结构化 问题。空间决策支持并不是空间分析的一部份，但空间决策支持模型的建立必 须以空间分析为基础。基础空间分析模型与定性模型( 社会、经济模型) 的结 合构成空间决策模型的框架。 总之，空间分析就是对空间目标形态、目标间关系、目标的行为进行描述， 而这三部分是构成空间分析的核心。在此基础上，再将空间分析的内涵扩展到 空间查询与空间相关分析，就构成了空间分析的基本框架。 2 2 2 空间分析方法 空间分析在地理学及其相关领域的研究中有着悠久的历史与传统，现代数 学理论如空间统计学、运筹学、图论、数学形态、分形几何、模糊数学、突变 理论等的发展，为空间分析与决策支持提供了有利的工具，进一步促进了g i s 定量分析的能力。综合运用现代数学理论与方法，强化空间分析的方法与功能， 是增强数字城市g i s 深入发展的必由之路。 空间分析技术方法包括以下三大类n 州甜： 1 基于图的分析，主要有空间度量与查询、缓冲区分析、叠置分析、网络 分析、地形分析、复合分析、拓扑关系分析，这些方法以图形操作为主，在现 有的二维g i s 软件中已比较成熟。而在数字城市三维g i s 中，则需将其从2 d 扩展到2 5 d 乃至3 d 。 8 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 2 基于数据的分析，这一部分的理论率函数，从而进行进一步的分析。此 外，还应引起重视的一种方法是基于探索性数据分析的空间探索性数据分析， 即利用统计学原理和图形图表相结合，对空间信息的性质进行分析、鉴别，用 以引导确定模型的结构和解法。同时对于海量数据的处理，近年来快速发展的 空间数据知识挖掘是其重要解决和发展方向之一。 3 基于事件机理的分析，也称为模拟或专业应用型空间分析。该技术解决 应用领域对空间数据处理与输出的特殊要求，空间实体和关系通过专业模型得 到简化和抽象，而系统则通过模型进行分析操作。目前g i s 在该领域的研究相 对落后，因为此类空间分析的开展既需要专业领域的数学与物理模型支持，同 时也需要综合利用上述两类空间分析，所以这种类型的空间分析比较复杂，尚 未形成一个统一的结构体系。 2 2 3 空间分析模型 除了一些通用的基本数学分析模型如缓冲区和叠置分析以外，随着应用的 不断深入和普及，需要越来越多的面向不同专业领域的空间分析模型，解决不 同行业的实际问题。空间分析过程实际上是一个地理建模过程，而空间分析依 赖于空间分析模型，于是研究空间分析模型以及如何实现在环境中建模至关重 要。 我们此处将空间分析模型分为以下几类n 幻： 1 空间分布分析模型 用于研究地理对象的空间分布特征。主要包括空间分布参数的描述，如分 布密度和均值、分布中心、离散度等空间分布检验，以确定分布类型空间聚类 分析，反映分布的多中心特征并确定这些中心趋势面分析，反映现象的空间分 布趋势空间聚合与分解，反映空间对比与趋势。 2 空间关系分析模型 用于研究基于地理对象的位置和属性特征的空间物体之间的关系。包括距 离、方向连通和拓扑等四种空间关系。其中，拓扑关系是研究得较多的关系距 9 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 离是内容最丰富的一种关系连通用于描述基于视线的空间物体之间的通视性方 向反映物体的方位。 3 空间相关分析模型 用于研究物体位置和属性集成下的关系，尤其是物体群类之间的关系。在 这方面，目前研究得最多的是空间统计学范畴的问题。统计上的空间相关、覆 盖分析就是考虑物体类之间相关关系的分析。 4 模拟、预测、评价与决策模型 用于研究地理对象的动态发展，根据过去和现在推断未来，根据已知推测 未知，运用科学知识和手段来估计地理对象的未来发展趋势，并作出判断与评 价，形成决策方案用以指导行动，以获得尽可能好的实践效果。 2 3 常见g ls 空间分析 空间查询：图形与属性的互查是最常用的查询，主要有两类：按照属性信 息的要求来查询定位空间位置，成为属性查图形。第二类是根据对象的空间位 置查询有关的属性信息，称为图形查属性。 空间量测与计算：空间量测与计算是指对g i s 数据库中的各种空间目标的 基本参数进行量算与分析如空间目标的位置、距离、周长、面积、曲率、空间 形态以及空间分布等。空间量测与分析是g i s 获取地理空间信息的基本手段， 所获取的基本空间参数是进行复杂空间分析、模拟与决策制定的基础阳1 。 叠置分析：是指在同一空间参考系下，将同一地区的地理对象的涂层进行 叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之前的空间对应关系。 其中主要包括点与多边形的叠置，线与多边形的叠置，多边形与多边形的叠置 n 3 】 。 o 缓冲区分析：即根据分析对象的点、线、面实体，自动建立他们周围一定 距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的的辐射范围或影响度， 以便为某项分析或决策提供依据。其中包括点缓冲区、线缓冲区、面缓冲区等。 而随着三维g i s 研究的深入，体缓冲区的研究也不断深入n 3 1 。 1 0 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 网络分析：即对地理网络和城市基础设施网格等网状事物以及它们的相互 关系和内在联系进行地理分析和模型化。其中包括路径分析、资源分配、流分 析等。 统计分析：主要是对数据进行分类和综合评价。其中包括统计图表分析、 描述统计分析、主成分分析、层次分析法、系统聚类法、判别分析等n 。 地形分析：是指对于地形及其特征进行分析。包括地形表面模型建立、地 形内插、精度分析、地形因子、可视化分析、剖面分析等n 朝。 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 3v r gls 空间数据和场景组织 3 1 仿真平台v r g ls 概述 v r g i s 是地理信息系统和虚拟现实技术相结合的产物，是目前地理信息系 统和虚拟现实技术研究的热点和前沿之一。v r g i s 软件平台的设计目标为一个 v r 与g i s 紧密集成的虚拟地理信息系统：能够支持海量数据的实时绘制；能够 较快生成虚拟城市景观；实现虚拟城市的自动漫游路径规划；支持g i s 空间分 析：支持快速地二次开发等，为城市的建设和规划提供科学的依据和灵活的设 计方法。根据项目发展规划，该软件工具研发成功后，将首要服务于2 0 l o 年上 海世界博览会的规划建设、宣传推介、应急预案演练等各项筹建准备工作。经 过实践检验后，预计该软件每年可用于大型城市规划项目，公共设施、商业中 心规划项目，城市形象宣传、企业招商推介等项目。高端用户还可运用该软件 工具提供的组件或插件，开发适合特定需要的三维地理信息系统和虚拟现实应 用n4 1 。 g i s 它具备传统g i s 系统所具有的空间数据的存储、处理、查询和分析 功能，又艰巨了之技术所提供的沉浸式实时交互功能，v r 和g i s 的融合不是 两者的简单连接，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可 视化，包含了两者数据、模型、功能的一体化设计。它力求建立一个将真实的 城市以地理位置及其相关关系为基础而组成数字化的信息框架，我们可以在这 个框架中嵌入平时所获取的信息，提供快速、准确、充分完整的城市利用中各 方面的信息。该课题力求通过建立统一数据模型，采用面向对象技术对场景进 行组织和有效管理，借助三维可视化技术和空间分析算法，使人们对数据进行 本质上的分析和理解，挖掘深层次信息，进而进行正确的决策。 之g i s 以对象的方式组织空间数据，对于空间中的每一个实体，都有一个 存储在空间数据库中的对象与之相对应。基于对象的数据组织为之和g i s 提 供了统一的数据访问方式，之显示和g i s 分析只需以相同的方法通过访问对 象管理即可获得对象数据，从而使v r 和g i s 建立在相同的数据结构之上n 4 l 。 1 2 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 图3 一lv r 与g i s 集成 v r g i s 平台 场 景 管 理 模 块 属 性 数 据 管 理 模 块 委f至i至f三lf蓁f霎f茎l萋lj蓁i蓁i蓁ll委f至l茎l蓁l萎il 茎i 型茎 3 2v r gis 空间数据 图3 2v r g i s 各模块【1 4 】 空间数据是空间分析的对象，它是描述地理空间一定范围内的空间实体及 其相互关系的数据。在g i s 中，空间数据是地理信息的载体，几乎所有g i s 技 术所要解决的问题都与空间数据有关。 地理实体有三个基本特征n 引：属性特征、空间特征和时间特征。属性特征 用来描述事物或现象的特性。例如，事物或现象的类别、等级、数量、名称等。 空间特征用来描述事物或者现象的地理位置以及空间相互关系，又称为几何特 征或拓扑特性。例如青岛的经纬度，青岛和烟台的相邻。时间特征用来描述事 1 3 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 物或现象随时间变化情况，例如，国民生成总值的逐年变化情况。在g i s 中， 我们主要研究属性特征和空间特征，时间特征很少涉及。 按照地理实体的基本特征，空间数据可以分为三类n 朝：属性数据、几何数 据和关系数据。属性数据是描述空间实体的属性特征的数据。几何数据是描述 空间实体空间特征的数据，也称为位置数据、定位数据，例如点的坐标。关系 数据是描述空间实体之间关系的数据，例如空间实体的邻接、关联、包含等， 主要是指拓扑关系。拓扑关系是对一种空间关系进行明确定义的数学方法。 作为空间分析的研究对象，空间数据在空间分析中占有基础性地位。空间 分析模型的建立取决于空间数据的特性和表现形式。 v r g i s 仿真平台主要涉及属性数据和几何数据两类，本文主要是围绕这两类 数据进行空间分析的。 3 2 1v r g i s 空间数据表示方法 地理数据在计算机中有三种表示方法：栅格( r a s t e r ) ，矢量( v e c t o r ) 和面 向对象( o b i e c t o r i e n t e d ) 法。栅格法以规则网格描述地理实体、记录和表示数 据；矢量法以点、线、面( 多边形) 描述地理实体、记录和表示地理数据；面 向对象法则将每一个地理实体堪称是一个对象( o b j e c t ) ，从实体的属性和操作 运算方法两个方面来描述每一个对象以及对象之间的联系，以对象为单位记录 和表示地理数据n 5 1 。 栅格法中，地理空间作为一个整体被划分为规则的格网，空间位置由格网 的行列所表示。栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。格网 的大小反映了数据的分辨率。栅格数据网络主要由三角形格网，正方形格网和 六边形格网等。之g i s 平台主要涉及正方形格网。栅格数据记录的是属性数据 本身，而位置数据可以由属性数据对应的行列号转换为相应的坐标。栅格数据 的阵列方式很容易为计算机存储和操作，不但很直观，而且易于维护和修改。 由于栅格数据的数据结构简单，定位存取性能好，因而在中可与影像数据和数 据进行联合空间分析【1 1 也】。 矢量法是面向实体的表示方式，形式直观，分析方便，信息冗余度小。矢 1 4 虚拟城市仿真平台v r g i s 中空间分析方法的研究与实现 量数据结构是通过坐标值来精确地表示点、线、面等地理实体的。矢量数据结 构可以表示现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述成线和边界时，特别有 效。矢量数据冗余度低，结构紧凑，并具有空间实体的拓扑信息，便于深层次 分析。矢量数据的输出质量好，精度高f l l - 1 创。 面向对象技术最早出现于2 0 世纪6 0 年代，到2 0 世纪8 0 年代后期才开始 得到应用。从那以后g i s 研究与设计人员已经将许多面向对象的技术应用于地 理数据的表示、组织、存储以及g i s 软件的开发和应用。在面向对象法中，地 理数据是以对象为单位来描述和组织的。一个对象是指任何一个可以识别、可 以描述的实体，因此，分布在地球表面的所有可以描述的地理实体，不管是点 状、线状还是面状实体，都可以视为对象，河流、森林、城市、房屋、油井都 是对象。每一个对象都具有反映其状态的若干属性。例如，一个城市对象可能 具有这样的一些属性：总城市人口、城市区域中心、地理位置、城区范围界限、 占地面积、城市人口平均收入、各主要部门的年产值。没一个对象还可能具有 某些对自身进行的操作的行为。例如，上述城市对象可以根据自己的属性计算 人口密度等，这些数据操作和运算都成为对象的方法。每一个对象都属于一个 类型，称为类( c l a s s ) 。通一类的对象具有共性，每一个类定义了该类型所有对象 普遍具有的共同特征和行为功能。类是对象的模板。通过面向对象法，可以容 易的实现一种层次结构，因为类具有可以继承的特性。子类可以继承父类的属 性和方法。同时还可以利用类有多态性的特点，实现不同类型的对象以自己独 特的方式来实现同一运算功能n 习。 v r g i s 平台的空间数据的表示上，针对不同的需要，使用不同的方法。地 形数据采用栅格法表示，用矢量数据来表示道路、地块等数据，对场景的模型 主要采取了面向对象的方法来组织。在平台中，通过抽象的方式把所有场景模 型抽象为节点类型：v g n o d e 。该节点具有一些抽象的基本数据属性和方法：如 节点类型、包围盒、中心点等成员变量，以及移动、缩放等操作方法，如3 3 图所示。该类有许多方法是虚函数